پنج اثر کوانتومی عجیب

احتمالاً گربه شرودینگر و اصل عدم قطعیت هایزنبرگ یا حتی درهم‌تنیدگی کوانتومی به گوش‌تان خورده است. این پدیده‌های کوانتومی در تلاش‌اند تا رفتار جهان را در مقیاس بسیار کوچک توضیح دهند. اما این نظریات فقط گوشه‌ای از خواص و رفتارهای عجیب اتم‌ها و ذرات زیراتمی را نشان می‌دهند. بسیاری از اثرات کوانتومی عجیب، کماکان در هاله‌ای از ابهام قرار دارند. در این مقاله، پنج مورد از این اثرات بررسی خواهد شد.

EC quantum collapse main FREE

اثر کوانتومیِ زنو

قصد داریم این اثر را در مورد شرایط «گربه شرودینگر» بررسی کنیم. در آزمایش فکری مشهور گربه شرودینگر، یک گربه درون جعبه‌ای با مواد رادیواکتیو مجبوس شده است. اگر این ماده دچار فروپاشی شود، تابش حاصل نوعی آشکارساز را فعال می‌کند که منجر به نشت گاز سمی می‌شود. این اتفاق نهایتاً به مرگ گربه می‌انجامد. اما تا زمانی که به درون جعبه نگاه نندازیم، محتوای جعبه همزمان در دو حالت قرار دارد؛ در یک حالت، رویداد فروپاشی به وقوع نپیوسته و گربه زنده است؛ در حالت دیگر، فروپاشی رخ داده و گربه جانش را از دست داده است. تصمیم‌مان را گرفته‌ایم؛ یافته‌ها نشان می‌دهد که گربه مُرده است یا روز دیگر زنده است.

اما اگر هزاران بار در ثانیه به جعبه سرَک بکشید تا ببینید ماده رادیواکتیو در چه وضعیتی به سر می‌برد، شاید بتوانید رفتارش را تغییر دهید. بسته به شیوه‌ی مشاهده‌ی‌تان، گویا ممکن است یا فروپاشی را به تاخیر بیندازید (اثر کوانتومی زنو) یا موجب تسریع وقوع آن شوید (اثر کوانتومی ضد زنو). نام این اثر از یک فیلسوف یونان باستانی به نام زنو گرفته شده است. نکته جالب توجه این است که اثرات زنو به دلیل اختلال ناشی از اندازه‌گیری به وقوع می‌پیوندند؛ حتی اگر جعبه تکان داده نشود بدون اینکه ببینیم درون آن چه می‌گذرد، برای پیاده‌سازی این ترفند کفایت می‌کند.

“نوترون‌ها” فاقد هویت مستقل هستند!

گربه شرودینگر نمونه‌ای از یکی از ایده‌های عجیب در فیزیک کوانتومی است. این ایده از اصل «برهم‌نهی» می‌آید. بر اساس آن، اشیاء می‌توانند به طور همزمان در دو یا چند حالت وجود داشته باشند. اگرچه در زندگی واقعی چنین چیزی مشاهده نمی‌کنید که گربه به طور همزمان زنده یا مرده باشد، اما فیزیکدان‌ها غالباً در آزمایشگاه از الکترون‌هایی استفاده می‌کنند که به طور همزمان موافق عقربه‌های ساعت و مخالف عقربه‌های ساعت گردش می‌کنند. دانشمندان با تکیه بر این ایده نشان دادند که ذرات شبح‌وار موسوم به “نوترینو” می‌توانند همزمان در دو یا چند حالت به دام بیفتند، حتی زمانی که بیش از صدها کیلومتر را طی کنند.

shows a neutrino interacting with an electron
این تصویر محفظه حبابی که در دهه ۱۹۹۰ میلادی در مرکز سرن سوئیس گرفته شده، برهم‌کنش نوترینو با یک الکترون را نشان می‌دهد.

نوترینوها به ذرات زیراتمی گفته می‌شود که تعامل اندکی با ماده دارند (ده‌ها تریلیون ذره نوترینو در هر ثانیه از میان شما عبور می‌کنند). آنها همزمان که با سرعت بالا در فضا حرکت می‌کنند، می‌توانند سریعاً خود را در حالات متعددی قرار دهند. برای مثال، ممکن است در آغاز راه یک نوع نوترینو باشند و در پایان راه به نوترینویی از نوع دیگر تبدیل شده باشند. اما این تغییر حالت به سادگی رخ نمی‌دهد. تحقیقات نشان می‌دهد که نوترینوها در طی این حرکات نوسانی هیچ حالت قطعی ندارند. آنها در وضعیت بحران هویت به سر می‌برند و به طور همزمان حالات مختلفی را تجربه می‌کنند.

اثر هونگ-او-مندل

“اثر هونگ-او-مندل” روش‌های عجیبی را توصیف می‌کند که طی آن، دو فوتون می‌توانند در یک تقسیم‌کننده پرتو با یکدیگر به برهم‌کنش بپردازند. این تقسیم‌کننده نوعی وسیله نوری است که پرتوی نور را مثل منشور به دو بخش تقسیم می‌کند. وقتی فوتونی وارد تقسیم‌کننده پرتو شود وضعیت آن ۵۰:۵۰ شده، می‌تواند در آن نوسان کند یا از آن عبور کند؛ یعنی احتمال وقوع هر یک از این رخدادها %۵۰ است.

Photons displaying the Hong Ou Mandel effect
چهار پیشامد احتمالی در زمان برخورد دو فوتون به وسیله تقسیم‌کننده پرتو از بخش‌های مخالف. گزینه ۲ و ۳ یکدیگر را خنثی می‌کنند و گزینه‌های ۱ و ۴ باقی می‌ماند.

اگر دو فوتون یکسان از هر طرفی وارد این وسیله شوند (همان‌طور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید)، چهار احتمال مختلف پیش می‌آید: ۱- فوتون بالا بازتاب یافته و فوتون زیر انتقال می‌یابد. ۲- هر دو فوتون انتقال می‌یابند. ۳- هر دو فوتون بازتاب می‌یابند. ۴-فوتون بالا انتقال می‌یابد و فوتون زیر بازتاب می‌یابد.

اینجاست که قضیه کمی عجیب و غریب می‌شود؛ از آنجا که فوتون‌ها یکسان‌اند، امکان تفکیک احتمال ۲ از احتمال ۳ وجود ندارد و همچنین، فوتون‌های یکسان یکدیگر را خنثی می‌کنند. در نتیجه، ۱ و ۴ تنها نتایجی هستند که مشاهده می‌کنید: هر دو فوتون در سمت یکسانی از وسیله تقسیم‌کننده حضور می‌یابند.

انکسار مضاعف خلاء

گاهی باید در مقیاس عظیم‌تری به کیهان نگاه کنیم تا درک بهتری از اجرام در مقیاس کوچک‎تر به دست آوریم. اخترشناسانی که ستاره‌های نوترونی فوق‌العاده چگال و مغناطیسی را مورد مطالعه قرار می‌دهند، به نخستین شواهد از اثر کوانتومیِ موسوم به انکسار مضاعف خلاء دست یافتند. این فرضیه برای نخستین‌بار در دهه ۱۹۳۰ مطرح شد؛ یعنی زمانی که نظریه کوانتومی پیش‌بینی کرد، فضای خالی (خلاء) در واقع خالی نیست. بلکه سرشار از ذرات مجازی است که در کسری از ثانیه به وجود آمده و از بین می‌روند.

esoa
این تصویر هنری نشان می‌دهد که نور حاصل از سطح ستاره نوترونی چگونه به واسطه‌ی خلاء فضا، دچار “قطبش خطی” می‌شود.

در حالت عادی، انتظار داریم نور بدون تغییر از خلاء فضا گذر کند، اما به نظر می‌رسد میدان‌های شدید مغناطیسی از قبیل میادینی که در اطراف ستاره‌های نوترونی مشاهده می‌کنیم، می‌توانند ویژگی‌های این ذرات مجازی را در خلاء تغییر دهند و وضعیت قطبی نورهایِ در حال عبور را تحت تاثیر قرار دهند. وقتی نور به تلسکوپ‌های واقع در زمین می‌رسد، می‌توانیم نتیجه این اثر کوانتومی را در سطح ماکروسکوپی مشاهده نماییم.

دما خاصیت کوانتومی به خود می‌گیرد

فرض کنید می‌خواهید دمای اجاق گاز را افزایش دهید تا کیک خوشمزه‌ درست کنید؛ اما مدتی بعد متوجه می‌شوید که تکه‌هایی از کیک اصلاً نپخته، زیرا قسمتی از اجاق گاز در دمای اتاق قرار دارد. ما این ایده را بارها شنیده‌ایم که گرما از نقاط گرم به نقاط سرد مجاور جریان می‌یابد؛ بنابراین، اتاق یا اشیای مورد نظر به طور یکنواخت گرم می‌شوند. اما در فیزیک کوانتومی همیشه چنین اتفاقی رخ نمی‌دهد.

g.foolcdn.com
ورقه‌های اتمی یک‌لایه از گرافن آن‌طور که انتظار دارید، دچار گرمایش نمی‌شوند.

بر اساس یافته‌های محققان، دما در گرافن به شکل عجیبی رفتار می‌کند؛ گرافن نوعی ماده استثنایی است که از یک ورقه تک‌لایه از اتم‌های کربن، تشکیل شده است. الکترون‌هایِ حامل گرما در قالب موج انتشار می‌یابند و این حرکات موجی به این معناست که برخی نقاط گرافن سرد باقی می‌مانند، و در عین حال نقاط دیگر دچار افزایش دما می‌شوند. نکته جالب این است که اندازۀ این امواج می‌تواند کنترل شود و امکان مشاهده آنها با میکروسکوپ‌های گرمایی وجود دارد. لذا دانشمندان این فرصت را دارند تا دما را در سطح کوانتومی مشاهده نمایند. اگر دانشمندان به طور موفقیت‌آمیز از این اثر بهره‌برداری کنند، می‌توان شاهد بکارگیری آن در رایانش، پزشکی و نظارت زیست‌محیطی باشیم.

فیسبوک توییتر گوگل + لینکداین تلگرام واتس اپ کلوب

دیدگاهتان را بنویسید